數(shù)控機床高速電主軸技術(shù)要點分析
2021-11-22 來源： 江蘇領(lǐng)臣精密機械有限公司 作者：鄭良鋼，陳錚，周志科
摘要：數(shù)控機床中，高速電主軸是核心部件。其重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，運行的過程中不會產(chǎn)生很大的慣性，有很好的響應(yīng)特性，主軸的動平衡得以改善，具有良好的動力學(xué)性能。高速電主軸對機床的運行效果起到了決定性的作用。本文著重研究數(shù)控機床高速電主軸技術(shù)要點。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；高速；電主軸；技術(shù)要點
高速電主軸，即為內(nèi)裝式電機主軸單元，是數(shù)控機床的重要部件。其是在機床主軸單元內(nèi)部安裝主軸電機，對主軸起到了驅(qū)動作用，由此促使電機和主軸成為一個整體。要提高數(shù)控機床的運行效率，就要掌握高速電主軸技術(shù)要點，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，同時，推進電主軸技術(shù)不斷完善。
1、高速電主軸所具備的優(yōu)點
傳統(tǒng)的數(shù)控機床上的主軸運行，在發(fā)揮電機驅(qū)動作用的過程中，主要是帶動中間的變速裝置和傳動裝置，諸如齒輪、皮帶以及聯(lián)軸節(jié)等，此為“機械主軸”，也被形象地稱為分離式和直聯(lián)式主軸。與這種傳統(tǒng)的主軸相比，電主軸具備的優(yōu)點如下。
（1）主軸運行中，是通過內(nèi)部安裝的電機驅(qū)動的，不需要通過中間的變速裝置和傳動裝置，其設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單而且緊湊，能夠提高運行效率而且精度很高。在運行的過程中，不會產(chǎn)生很大的噪聲，振動也非常小。
（2）將交流變頻技術(shù)充分利用起來，在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電主軸可以無級變速。當(dāng)機床運行的過程中，無論發(fā)生任何的工況，或者在負載變化的情況下，電主軸都有很好的適應(yīng)性。
（3）內(nèi)裝電機運行中，能夠控制閉環(huán)矢量，還可以按照控制命令有效調(diào)控功率，且能夠靈活控制驅(qū)動裝置運行速度、輸出力矩等等。電主軸可以滿足各種大功率要求，諸如低速重切削大轉(zhuǎn)矩的時候，或者高速精加工的時候，電主軸都能夠很好地發(fā)揮作用，還可以實現(xiàn)準(zhǔn)停，同時滿足 C 軸傳動功能。
（4）電主軸可以高速運行，有良好的穩(wěn)定性，動態(tài)精度較高，使數(shù)控機床切削的速度更高，加工的精密度也更高。
（5）由于電主軸的運行不需要經(jīng)過中間傳動環(huán)節(jié)，因此其平穩(wěn)性更高，不會受到外來的沖擊，主軸的軸承不需要承受很大的動負荷，精度壽命得以延長。
（6）電主軸使電機和主軸構(gòu)成一個整體，形成一個單元，使電主軸可以系列化生產(chǎn)，形成一定的規(guī)模，而且生產(chǎn)更加專業(yè)化。電主軸作為數(shù)控機床功能部件，也作為一種商品進入到市場中。企業(yè)可以根據(jù)數(shù)控機床的主機運行需要選擇電主軸，對機床模塊化方向發(fā)展起到一定的促進作用。
2、高速電主軸的技術(shù)要點
2.1 高速電主軸的高速精密軸承技術(shù)
在電主軸系統(tǒng)中，主軸軸承技術(shù)是關(guān)鍵，主要包括三種，即動靜壓軸承、角接觸球軸承和磁懸浮軸承。其中，動靜壓軸承是將靜壓軸承與動壓軸承結(jié)合起來，集合了兩者的優(yōu)點，其具備良好的高速性能，速度調(diào)節(jié)的范圍大。精密數(shù)控機床比較常用角接觸球軸承，其發(fā)揮主軸支撐作用，對高速性能有一定的影響。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是由于滾珠為氮化硅材料制作，滾珠在高速作用下會增加離心力，增大陀螺力矩，軸承的高速性能得以充分發(fā)揮，減小滾動體的直徑。由于軸承的制造成本高，具有非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)，不容易解決軸承運行中產(chǎn)生的發(fā)熱問題，所以，只有特殊場合中才會使用。
2.2 高速電主軸的動平衡技術(shù)
高速電主軸有較高的運轉(zhuǎn)速度，同時，具有高精度運行、高加工效率的特點，但是，這些特點是建立在動平衡基礎(chǔ)上的。電主軸的運行狀態(tài)會受到諸多因素的影響，諸如制造因素，在主軸安裝的過程中產(chǎn)生誤差，或者存在材料不均勻的問題，必然會產(chǎn)生運行不平衡的問題。通常電主軸運行的過程中，運轉(zhuǎn)速度最高可以超過 10000r/min，甚至可以達到60000 ～ 100000r/min。當(dāng)主軸運轉(zhuǎn)的過程中，即便所存在的不平衡非常微小，都有可能影響主軸回轉(zhuǎn)的精度，甚至?xí)?/span>影響軸承支承系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，所以，需要嚴格要求高速電主軸的動平衡精度。
為了提高主軸的平衡性，在電主軸的設(shè)計中，需要采用對稱結(jié)構(gòu)，加工裝配的時候要提高精確度。當(dāng)主軸出廠的回收，調(diào)整好初始動平衡，提高主軸的平衡性，但是，主軸刀具依然會存在細微的不對稱問題，甚至?xí)霈F(xiàn)刀具磨損的問題，或者切屑粘刀的問題，原有的動平衡依然會被打破。由于工況復(fù)雜，主軸刀具系統(tǒng)會受到干擾，諸如切削力激勵、離心力以及熱變形等都是重要的影響因素，并因此破壞主軸系統(tǒng)，使其無法保持穩(wěn)定的穩(wěn)定的運行狀態(tài)。要使電主軸處于高速運行狀態(tài)，確保數(shù)控機床高效運行且持續(xù)穩(wěn)定，就需要將在線運行且自動化操作的動平衡系統(tǒng)設(shè)計出來，并根據(jù)實際應(yīng)用需要不斷完善，更好地發(fā)揮其價值。
2.3 高速電主軸的潤滑技術(shù)
對高速電主軸進行潤滑，主要是潤滑主軸軸承。這就需要采用科學(xué)有效的潤滑系統(tǒng)對軸承的溫升狀況進行控制，確保機床工藝系統(tǒng)運行中提高精度，且保證穩(wěn)定性。高速電主軸在選擇潤滑方式的時候，需要對軸承所屬類型、運轉(zhuǎn)速度以及負荷等等有關(guān)，可以根據(jù)需要選擇油脂潤滑方法、油霧潤滑方法或者噴射潤滑方法等。
2.4 高速電主軸的冷卻技術(shù)
電主軸的殼體中安裝有電動機的定子，電主軸實施封閉設(shè)計，當(dāng)處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)的時候，由于缺乏散熱條件，就會出現(xiàn)殼體中過熱的問題。電主軸的內(nèi)部安裝有兩個熱源：第一個熱源是電動機運行中會由于損耗而發(fā)熱；第二個熱源是由于軸承運行中產(chǎn)生摩擦而發(fā)熱。當(dāng)電機運行的過程中有熱量產(chǎn)生，主要發(fā)揮散熱作用的是主軸殼體，而且部分熱量通過主軸向軸承傳輸，導(dǎo)致軸承快速升溫，其壽命必然受到影響，轉(zhuǎn)軸的制造精度受到熱伸長的影響，主軸系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠性無法保證。冷卻電主軸的方法是將循環(huán)冷卻水套安裝在定子與殼體連接的位置，同潤滑軸承，使發(fā)熱量減少，采用合理的潤滑方式除了發(fā)揮潤滑作用，而且還可以起到冷卻的效果。
2.5 高速電主軸的主軸電機技術(shù)
電主軸所采用的電動機多為交流異步感應(yīng)電動機，由于永磁電機增強了使用性能，交流永磁同步電動機被廣泛應(yīng)用，所表現(xiàn)出來的優(yōu)點是，電主軸轉(zhuǎn)子不再散發(fā)熱量，電主軸不再產(chǎn)生熱變形，轉(zhuǎn)子沒有損耗，電主軸的運行效率提高，減小了轉(zhuǎn)動慣量，啟動和準(zhǔn)停的速度加快。當(dāng)電主軸處于低速運行狀態(tài)的時候，也能保持良好的性能。
2.6 高速電主軸的精密加工和精密裝配技術(shù)
當(dāng)電主軸處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)的時候，要保證其剛度以及回轉(zhuǎn)精度，需要對重要的零件精密加工，甚至需要超精密加工，在裝配主軸零部件的時候，要提高精密度。在主軸單元中，對工件都需要精密加工，包括殼體的加工、軸承座的加工等等都要有較高的精密度，軸承隔圈會隨著主軸高速旋轉(zhuǎn)，對加工精密度也有較高的要求。另外，在高速電主軸上進行加工刀具的裝配過程中，需要采用先進的工藝技術(shù)，且裝配的精密度要符合要求。
2.7 高速電主軸的溫度保護技術(shù)
在設(shè)計高速數(shù)控銑床的時候，需要啟動冷卻系統(tǒng)對主軸進行降溫。主軸內(nèi)部安裝有三個軸承，即前端軸承、中間軸承和后端軸承，主軸的運轉(zhuǎn)速度不同，功率不同，將溫度傳感器安裝在軸承附近，就可以對主軸軸承的溫度實時監(jiān)測。溫度傳感器采集信號的時候需要發(fā)揮可編程邏輯控制器的輸入模塊作用，不同類型的傳感器，將信號劃分為 4 ～20mA。在設(shè)計機床控制程序的時候，需要按照傳感器信號將溫度計算出來，標(biāo)定好。實施軸承升溫保護的時候，還需要在程序中將門檻限制值設(shè)置好，保護好軸承。
3、 結(jié)語
通過上面的研究可以明確，在制造機械產(chǎn)品的過程中，應(yīng)用高速加工技術(shù)，很多難題都能夠得到解決，而且加工精度高，質(zhì)量有所保證，所以，該技術(shù)在制造業(yè)廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)成為主流技術(shù)。現(xiàn)在高速電主軸技術(shù)發(fā)展迅速，各個行業(yè)都根據(jù)自身的需要對該技術(shù)進行深入研究，在提高技術(shù)應(yīng)用效率的同時，還要發(fā)揮其節(jié)能環(huán)保特性，實現(xiàn)智能化發(fā)展。
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